.NET面试题系列（二）GC

2023-08-21 21:02:52

序言

对象生存期

Phone item=new Phone()

在C#中，创建对象使用的是new关键字。 要注意的是new操作返回的并不是对象本身，而是对象的一个引用（Reference）。

.NET面试题系列（二）GC

如果使用item=null;语句，将上面的item变量赋值为null，不过是切断了变量和对象之间的引用关系，对象并没有销毁，还停留在托管堆上。

.NET面试题系列（二）GC

并不是将item设为null才会将对象变为无法访问的。 如果方法结束后，再没有其他地方引用对象，那么它也会变成无法访问的。

垃圾回收机制

什么是垃圾？

　　简单理解就是没有被引用的对象。

　　GC是垃圾回收（Garbage Collect）的缩写，是.NET核心机制的重要部分。她的基本工作原理就是遍历托管堆中的对象，标记哪些被使用对象（那些没人使用的就是所谓的垃圾），然后把可达对象转移到一个连续的地址空间（也叫压缩），其余的所有没用的对象内存被回收掉。

托管资源：

　　由CLR管理的存在于托管堆上的称为托管资源，注意这里有2个关键点，第一是由CLR管理，第二存在于托管堆上。托管资源的回收工作是不需要人工干预的，CLR会在合适的时候调用GC(垃圾回收器)进行回收。

　　我们可以使用GC类提供的GC.Collect方法来使应用程序在一定程度上直接控制垃圾回收器，但是一般不要去手动干预GC。没有特殊理由，不要去调用GC.Collect()，让它自己决定什么时候去回收内存。还是人家的比较严谨。

非托管资源：

　　非托管资源是不由CLR管理，例如：Image Socket, StreamWriter, Timer, Tooltip, 文件句柄, GDI资源, 数据库连接等等资源（这里仅仅列举出几个常用的）。这些资源GC是不会自动回收的，需要手动释放。

 垃圾回收算法 - 分代(Generation)算法

　　CLR托管堆支持3代：第0代，第1代，第2代。第0代的空间约为256KB，第1代约为2M，第2代约为10M。新构造的对象会被分配到第0代，

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　　当第0代的空间满时，垃圾回收器启动回收，不可达对象(上图C、E)会被回收，存活的对象被归为第1代。

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　　当第0代空间已满，第1代也开始有很多不可达对象以至空间将满时，这时两代垃圾都将被回收。存活下来的对象(可达对象)，第0代升为第1代，第1代升为第2代。

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垃圾回收的基本流程包含以下三个关键步骤：

　　① 标记

　　② 清除

　　③ 压缩

关于代龄（Generation）

　　当然，实际的垃圾回收过程可能比上面的要复杂，如果没次都扫描托管堆内的所有对象实例，这样做太耗费时间而且没有必要。分代(Generation)算法是CLR垃圾回收器采用的一种机制，它唯一的目的就是提升应用程序的性能。分代回收，速度显然快于回收整个堆。分代(Generation)算法的假设前提条件：

　　1、大量新创建的对象生命周期都比较短，而较老的对象生命周期会更长

　　2、对部分内存进行回收比基于全部内存的回收操作要快

　　3、新创建的对象之间关联程度通常较强。heap分配的对象是连续的，关联度较强有利于提高CPU cache的命中率

.NET将托管堆分成3个代龄区域: Gen 0、Gen 1、Gen 2：

　　第0代，新近分配在堆上的对象，从来没有被垃圾收集过。 任何一个新对象，当它第一次被分配在托管堆上时，就是第0代。

　　第1代，经历过一次垃圾回收后，依然保留在堆上的对象。

　　第2代，经历过两次或以上垃圾回收后，依然保留在堆上的对象。

　　当进行垃圾回收时，垃圾回收器将会首先检查所有的第0代对象，并对其中可回收的对象进行清理。如果清理后获取到了足够的内存空间，经历过垃圾回收后的对象将提升为第1代对象。

　　如果所有第0代对象都检查过，但是内存空间还不够用，那么将会检查第1代对象的可访问性，并进行垃圾回收。 此时，如果经历过垃圾回收的第1代对象仍保留在堆上，则会升级为第2代对象。 类似地，如果内存仍不够用，将会对第2代对象进行检查和垃圾回收。 如果第2代的部分对象在此次回收后仍保留在堆栈上，它依然是第2代对象，因为总共只定义了三代对象。 如果第2代对象在进行完垃圾回收后空间仍然不够用，则会抛出OutOfMemoryException异常。

大对象堆

　　垃圾回收的过程中还有一个很影响性能的地方，就是在压缩的过程中，因为要批量地挪动对象，以填充腾出来的空间，如果对象很大，那么要挪动的数据量就会很大。 除此以外，如果将大对象直接分配在第0代，那么第0代的空间很快就会被占满，从而迫使CLR执行一次垃圾回收，这样执行垃圾回收的次数就会变得很频繁。因此，第二个优化策略就是采用大对象堆（LOH，Large Object Heap），当对象的大小超过指定数值（85000字节）时，就会被分配在大对象堆上。 大对象堆有几个特点：
　　没有代级的概念，所有对象都被视为第2代。
　　不进行对象移动和空间压缩，因为移动大对象是相对耗时的操作。 因此，需要一个链表来维护空闲区域的位置。
　　对象不会被分配在末尾，而会在链表中寻找合适的位置，因此会存在碎片的问题。

对象析构

　　非托管资源回收.NET中提供释放非托管资源的方式主要是：Finalize() 和 Dispose()。

　　Dispose()常用的大多是Dispose模式，主要实现方式就是实现IDisposable接口

　　Finalize()  终结器（析构函数）磁盘文件、 TCP连接、 通信端口、 数据库连接等， 当对象被垃圾回收时， 只是被简单地覆盖掉， 并不会释放这些资源。

　　Dispose()和Finalize()区别Finalizer的执行时间是不确定的， 有时候， 我们期望客户端在对象使用完毕后立即释放资源，此时可以实现IDisposable()接口：

public interface IDisposable {

    void Dispose();

}

using

using(A a = new A())

{

    //使用A对象的方法

}

　　在作用域结束的时候，会自动调用A对象的Dispose方法

　　但是前提A对象必须实现了IDispose接口

　　否则无法使用using关键字

性能优化建议

　　尽量不要手动执行垃圾回收的方法：GC.Collect()

　　垃圾回收的运行成本较高（涉及到了对象块的移动、遍历找到不再被使用的对象、很多状态变量的设置以及Finalize方法的调用等等），对性能影响也较大，因此我们在编写程序时，应该避免不必要的内存分配，也尽量减少或避免使用GC.Collect()来执行垃圾回收，一般GC会在最适合的时间进行垃圾回收。

　　而且还需要注意的一点，在执行垃圾回收的时候，所有线程都是要被挂起的（如果回收的时候，代码还在执行，那对象状态就不稳定了，也没办法回收了）。

　　推荐Dispose代替Finalize

　　如果你了解GC内存管理以及Finalize的原理，可以同时使用Dispose和Finalize双保险，否则尽量使用Dispose。

　　选择合适的垃圾回收机制：工作站模式、服务器模式

关于GC的面试题

1. 简述一下一个引用对象的生命周期？

  • new创建对象并分配内存
  • 对象初始化
  • 对象操作、使用
  • 资源清理（非托管资源）
  • GC垃圾回收

2. 创建下面对象实例，需要申请多少内存空间？

public class User

{

    public int Age { get; set; }

    public string Name { get; set; }

    public string _Name = "" + "abc";

    public List<string> _Names;

}

40字节内存空间，详细分析文章中给出了。

3. 什么是垃圾？

　　一个变量如果在其生存期内的某一时刻已经不再被引用，那么，这个对象就有可能成为垃圾。

4. GC是什么，简述一下GC的工作方式？

　　GC是垃圾回收（Garbage Collect）的缩写，是.NET核心机制的重要部分。她的基本工作原理就是遍历托管堆中的对象，标记哪些被使用对象（哪些没人使用的就是所谓的垃圾），然后把可达对象转移到一个连续的地址空间（也叫压缩），其余的所有没用的对象内存被回收掉。

5. GC进行垃圾回收时的主要流程是？

　　① 标记：先假设所有对象都是垃圾，根据应用程序根Root遍历堆上的每一个引用对象，生成可达对象图，对于还在使用的对象（可达对象）进行标记（其实就是在对象同步索引块中开启一个标示位）。

　　② 清除：针对所有不可达对象进行清除操作，针对普通对象直接回收内存，而对于实现了终结器的对象（实现了析构函数的对象）需要单独回收处理。清除之后，内存就会变得不连续了，就是步骤3的工作了。

　　③ 压缩：把剩下的对象转移到一个连续的内存，因为这些对象地址变了，还需要把那些Root跟指针的地址修改为移动后的新地址。

6. GC在哪些情况下会进行回收工作？

  • 内存不足溢出时（0代对象充满时）
  • Windwos报告内存不足时，CLR会强制执行垃圾回收
  • CLR卸载AppDomian，GC回收所有
  • 调用GC.Collect
  • 其他情况，如主机拒绝分配内存，物理内存不足，超出短期存活代的存段门限

7. using() 语法是如何确保对象资源被释放的？如果内部出现异常依然会释放资源吗？

　　using() 只是一种语法形式，其本质还是try…finally的结构，可以保证Dispose始终会被执行。

8. 解释一下C#里的析构函数？为什么有些编程建议里不推荐使用析构函数呢？

　　C#里的析构函数其实就是终结器Finalize，因为长得像C++里的析构函数而已。

　　有些编程建议里不推荐使用析构函数要原因在于：第一是Finalize本身性能并不好；其次很多人搞不清楚Finalize的原理，可能会滥用，导致内存泄露，因此就干脆别用了

9. Finalize() 和 Dispose() 之间的区别？

　　Finalize() 和 Dispose()都是.NET中提供释放非托管资源的方式，他们的主要区别在于执行者和执行时间不同：

  • finalize由垃圾回收器调用；dispose由对象调用。
  • finalize无需担心因为没有调用finalize而使非托管资源得不到释放，而dispose必须手动调用。
  • finalize不能保证立即释放非托管资源，Finalizer被执行的时间是在对象不再被引用后的某个不确定的时间；而dispose一调用便释放非托管资源。
  • 只有class类型才能重写finalize，而结构不能；类和结构都能实现IDispose。

　　另外一个重点区别就是终结器会导致对象复活一次，也就说会被GC回收两次才最终完成回收工作，这也是有些人不建议开发人员使用终结器的主要原因。

10. Dispose和Finalize方法在何时被调用？

  • Dispose一调用便释放非托管资源；
  • Finalize不能保证立即释放非托管资源，Finalizer被执行的时间是在对象不再被引用后的某个不确定的时间；

11. .NET中的托管堆中是否可能出现内存泄露的现象?

　　是的，可能会。比如：

  • 不正确的使用静态字段，导致大量数据无法被GC释放；
  • 没有正确执行Dispose()，非托管资源没有得到释放；
  • 不正确的使用终结器Finalize()，导致无法正常释放资源；
  • 其他不正确的引用，导致大量托管对象无法被GC释放；

12. 在托管堆上创建新对象有哪几种常见方式？

  • new一个对象；
  • 字符串赋值，如string s1=”abc”；
  • 值类型装箱；

 13.与GC相关的性能计数器

　　如果遇到了性能问题,在使用debug之前分析问题较为不错的一个工具就是perfmon。

　　如果您的网站遇到下面的几种情形,那还是先看看perfmon里GC相关的东西吧:

  1. cpu占用高,内存占用不高.
  2. cpu和内存占用都比较高
  3. cpu和内存占用都不高,但是网站响应很慢

14.手工进行回收

//对所有代进行垃圾回收。

GC.Collect();

//对指定的代进行垃圾回收。

GC.Collect(int generation);

//强制在 System.GCCollectionMode 值所指定的时间对零代到指定代进行垃圾回收。

GC.Collect(int generation, GCCollectionMode mode);
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